中國儲能網(wǎng)訊：電池成為新能源汽車企業(yè)獲得市場優(yōu)勢的關(guān)鍵。在眾多電池技術(shù)的研發(fā)中，固態(tài)電池尤其受到全球范圍的廣泛關(guān)注。豐田、寶馬、大眾、三星等巨頭企業(yè)都投入了大量資金用于固態(tài)電池研究，以期早日獲得突破。豐田更是計劃在2021年東京奧運會上推出其搭載固態(tài)電池的純電動示范車。當前，固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)已經(jīng)被推上了潮頭浪尖。目前全球共有53家企業(yè)在布局研發(fā)固態(tài)電池，預計到2025年開始小批量進入市場，將成為電動汽車取代燃油汽車的制勝利器。在市場需求方面，據(jù)預測，到2030年，全球固態(tài)電池需求有望達到500GWh，按照專家保守估計，將形成三千億元以上的市場規(guī)模。
根據(jù)國務院辦公廳2020年印發(fā)的《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021-2035年）》，國家計劃到2025年把新能源汽車的銷量推高到占據(jù)新車總銷量的20%左右，并在“新能源汽車核心技術(shù)攻關(guān)工程”中明確要求“加快固態(tài)動力電池技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”。
一、 固態(tài)電池相較于鋰電池具備優(yōu)勢
固態(tài)電池是一種新興技術(shù)。固態(tài)電池和傳統(tǒng)鋰電池最顯著的區(qū)別在于電池內(nèi)部的電解質(zhì)的物理形態(tài)。目前在新能源汽車上最廣泛使用的三元鋰電池，一般由正極、隔膜、負極，再灌入電解液制造而成。下一代電源的固體電解質(zhì)層，可以替代當前鋰離子電池中的易燃液體溶液，實現(xiàn)更密集地存儲能量。電解質(zhì)還可以兼作電池的隔膜，這是鋰離子電池的關(guān)鍵組件，可以減少火災危險和所需原材料的數(shù)量。數(shù)據(jù)原型表明，與相同重量和體積的鋰離子電池相比，固態(tài)電池可以存儲多達80%的能量。具有較高能量密度的鋰金屬可以代替石墨，從而有助于減少電池的重量和體積。
圖1 鋰電池和固態(tài)電池工作原理的區(qū)別 來源：賽迪智庫整理，2021.6.7
固態(tài)電池具備諸多優(yōu)勢，能夠有效解決新能源汽車的環(huán)保和安全問題。一是固態(tài)電池大幅減少原材料的使用，其中銅和鋁的使用將大比例下降，石墨和鈷可以完全從原材料中剔除。二是固態(tài)電池更輕巧，可以像砌磚一樣堆疊在墻上，使它們更容易安裝到不同的汽車設計中。三是固態(tài)電池的里程數(shù)可大幅增加，由于其可在10分鐘左右充滿電，并具有更高的能量密度，因此與鋰電池相比，可以提供兩倍或更多的行程。此外，回收固態(tài)電池是一個更簡單，更安全的過程。
鋰電池的原材料價格不斷上漲。對于汽車制造商來說，另一個問題是，隨著電池成為眾多技術(shù)的關(guān)鍵組成部分，對原材料的需求也在增加。截至目前，鎳、石墨、鋰、鈷和銅的價格進一步上漲。平均而言，電動乘用車的電池需要約20kg的鎳（特斯拉Model 3需要30kg），陰極中需要多達20kg的鈷，再加上約60kg的鋰化合物。2020年，特斯拉占了歐洲電動汽車行業(yè)所用鎳總量的一半以上，而提高鎳的產(chǎn)量是非常困難的。由于各種原因，鋰的供應也受到限制，建設新的鋰礦開采設施可能需要長達10年的時間。高盛預測，基礎(chǔ)材料價格長達數(shù)十年的上升趨勢才剛剛開始，這將加速電動汽車電池材料和基礎(chǔ)技術(shù)的替代。
圖2 關(guān)鍵電動汽車原材料需求將超過供應 來源：賽迪智庫整理，2021.6.7
鋰電池在安全性和成本方面存在缺陷。傳統(tǒng)鋰電池中高度易燃的液態(tài)溶液不僅易燃，還回收困難，轉(zhuǎn)售貶值嚴重。另一方面，在不增加電池組成本的情況下，對安全性和能量密度的改進，每輛車的成本約為12000美元，已經(jīng)達到了技術(shù)極限，這意味著使用鋰離子電池的長續(xù)航汽車價格有一個內(nèi)部底線。比如入門級的特斯拉Model 3的起價為37990美元，現(xiàn)代IONIQ為33245美元。除了昂貴和不穩(wěn)定之外，電池還很笨重，特斯拉Model S的電池重量超過540公斤，它們的存在大大壓縮了腿部空間，并限制了其他設計。這種額外的重量使電動汽車比汽油車重得多，因此它們需要更多的動力來覆蓋相同里程，特別是在寒冷的天氣。
二、 固態(tài)電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
固態(tài)電池核心技術(shù)難點在于電解質(zhì)。
電解質(zhì)是鋰離子傳輸?shù)闹匾浇?，對電池性能至關(guān)重要。根據(jù)電解質(zhì)的不同，目前科學界又將固態(tài)電池按電解質(zhì)分為三種類型：一是已實現(xiàn)商業(yè)化應用案例的PEO類聚合物固體電解質(zhì)路線，以歐美發(fā)展路徑為代表，包括加拿大、法國等。二是無機固體電解質(zhì)材料，主要包括硫化物和氧化物，硫化物以亞洲國家的豐田和三星為代表。三是有機（聚合物）與無機復合的固體電解質(zhì)路線?；诓煌夹g(shù)體系的固態(tài)電解質(zhì)材料，存在各自的缺陷或短板。
電解質(zhì)從“液態(tài)”轉(zhuǎn)向“固態(tài)”充滿挑戰(zhàn)。
在固態(tài)電解質(zhì)選擇、電芯設計上需要不斷解決循環(huán)過程中固相界面接觸及體積膨脹問題。其中，氧化物材料的柔韌性比較差，界面接觸較差，會導致界面阻抗增加；聚合物則存在著導電率過低的問題，比現(xiàn)在液態(tài)電解質(zhì)的導電率低4-5個數(shù)量級；硫化物固態(tài)電池則面臨電解質(zhì)對空氣敏感、制造條件苛刻、原材料昂貴、規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)不成熟等問題。為了兼顧高能量密度、高安全、長壽命等綜合性能，固態(tài)電池需要匹配高比能的正負極材料，如高鎳三元正極、硅碳負極、金屬鋰負極等。這些高比能正負極材料的引入也為研制固態(tài)電池帶來了一系列挑戰(zhàn)，仍需要反復實驗和比較，提出綜合優(yōu)化的解決方案。
自動駕駛的算法追責更加復雜。
在自動駕駛車輛發(fā)生事故時，如何鑒定事故原因成為關(guān)鍵因素。在2018年發(fā)生的Uber自動駕駛汽車測試導致行人死亡的事故，由法庭認定為車上安全駕駛員擔責，而沒有對自動駕駛算法的研發(fā)企業(yè)進行追責。這正是L3級別自動駕駛車輛所陷入的兩難境地，一方面允許車輛自行判斷路況，另一方面在事故發(fā)生時卻由駕駛員擔責。因此，在針對有條件自動駕駛車輛的保險，無論是駕駛員還是車輛生產(chǎn)商或輔助系統(tǒng)制造商承擔主要事故責任，都會極大阻礙自動駕駛技術(shù)發(fā)展。
固態(tài)電池批量制造仍存在阻礙。
雖然固態(tài)電池的原型已經(jīng)開發(fā)成功，但電動汽車要實現(xiàn)長續(xù)航需要的電芯數(shù)量至少是迄今為止在實驗室測試的20倍。目前每塊電池的制造成本約為10萬美元，這意味著工廠將很難批量制造。從實驗室到工廠的研制過程能否加快，在生產(chǎn)線上能否生產(chǎn)出標準的固態(tài)電池，性能是否達到人們的期望，是否具備在車用領(lǐng)域商業(yè)化應用，這些都是極為關(guān)鍵的標準。盡管有高能量密度、高安全性的突出優(yōu)勢，但就目前業(yè)界的研發(fā)進展來看，現(xiàn)階段固態(tài)電池在材料成本、加工成本、量產(chǎn)能力等方面都或多或少存在著短時間無法突破的短板。
固態(tài)電池在搶占市場占有率方面存在劣勢。
目前固態(tài)電池能量密度的提高還處于試驗階段，遠遠達不到商用要求，從研制周期來看，短時間內(nèi)要完全實現(xiàn)從液態(tài)鋰離子電池到全固態(tài)電池的跨越是比較困難的。而以三元和磷酸鐵鋰材料體系為主的液態(tài)鋰電池能量密度已經(jīng)做到250Wh/kg以上（指已量產(chǎn)可商用），甚至已有觸及300Wh/kg高點的產(chǎn)品已進入實質(zhì)化的應用測試階段。如搭載這種鋰電池的汽車投入使用，電動汽車的續(xù)航焦慮定將得到較大緩解，那么姍姍來遲的固態(tài)電池想要搶占新能源汽車動力制高點就失去了先機。
三、 國外固態(tài)電池的發(fā)展進程
豐田汽車是日本推動固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)的骨干力量。豐田在2019年初宣布與松下合作將固態(tài)電池從試制向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。本田、三菱、日產(chǎn)等其他大企業(yè)也紛紛加速布局固態(tài)電池行業(yè)，爭取早日實現(xiàn)量產(chǎn)。豐田汽車在固態(tài)電池技術(shù)研發(fā)上獲得專利已超過兩百項，居全球首位。不僅自己研發(fā)，豐田還聯(lián)合電池和材料企業(yè)，以及京都大學、日本理化學研究所等10余家科研院所共同研發(fā)新能源汽車用全固態(tài)鋰電池，并預計將于2025年左右實現(xiàn)商業(yè)化。日本正在舉全國之力研發(fā)固態(tài)電池，每年政府投入的經(jīng)費在50億-100億日元（約合人民幣3.11億-6.22億元）。豐田表示，已經(jīng)按照計劃成功制造出固態(tài)電池的樣品，且安裝到概念車上，希望成為全球首家量產(chǎn)搭載固態(tài)電池汽車的廠商，計劃于2021年推出原型車，2025年左右開始量產(chǎn)。
美國新興固態(tài)電池企業(yè)Quantum Scape（簡稱QS）從根本上解決了阻礙固態(tài)電池商業(yè)化的基礎(chǔ)難題。該企業(yè)花費5年時間研究固態(tài)電池電解質(zhì)材料體系，宣稱已經(jīng)攻克技術(shù)障礙并已經(jīng)生產(chǎn)出產(chǎn)品。QS今年1月宣稱其固態(tài)電池產(chǎn)品能量密度超過1000Wh/L，完成近1100次的循環(huán)測試，仍可保持80%以上的容量。但是，QS把實用產(chǎn)品推向市場還要走過漫長道路。QS計劃與德國大眾合作，于2024年建立1GWh試生產(chǎn)線，通過在大眾高端車型上搭載，實現(xiàn)其鋰金屬固態(tài)電池的商業(yè)化量產(chǎn)。
韓國三星利用其強大的財團背景對全球范圍內(nèi)固態(tài)電池技術(shù)相關(guān)項目或公司進行了較大規(guī)模的投資、參股或技術(shù)跟蹤。2018年，三星SDI與LG化學、SK創(chuàng)新成立了聯(lián)合基金，共同開發(fā)包括固態(tài)電池的下一代電池核心技術(shù)。現(xiàn)代沒有參加以上的三家聯(lián)盟，而是選擇自主開發(fā)、與高校合作和外部投資的方式進入固態(tài)電池的產(chǎn)業(yè)鏈。在專利方面，韓國分布相對比較集中，以硫化物電解質(zhì)方面專利為主，三星SDI、LG和現(xiàn)代占比50%以上。2020年12月，LG新能源正式從LG化學拆分成立，該公司計劃到2021年末前，將電池年產(chǎn)量從2020年的120GWh增加到156GWh，提高30%。LG公司計劃在2025年年底實現(xiàn)鋰硫電池商業(yè)化，并在2025年至2027年間實現(xiàn)全固態(tài)電池商業(yè)化。
四、 如何推進中國固態(tài)電池的市場化
刻苦攻關(guān)，搶占固態(tài)電池領(lǐng)域的制高點。
只有掌握技術(shù)主動權(quán)和規(guī)則制定的發(fā)言權(quán)，才能夠徹底擺脫昔日在科技發(fā)展上處處受制于人的被動局面。縱觀全球固態(tài)電池的發(fā)展格局，中國科研機構(gòu)和相關(guān)企業(yè)擁有趕上并超越世界一流技術(shù)水平的絕佳機會。但是對比日本，我們還需要大力改進工作方式和加大工作力度。從2018年開始，日本政府聯(lián)合日本38家機構(gòu)、日本電池制造商及本田、日產(chǎn)和豐田三大主要汽車制造商研發(fā)固態(tài)鋰離子電池。同時，日本政府啟動了多個項目，與優(yōu)勢企業(yè)攜手致力于固態(tài)電池實用化。中國最大的問題不僅是企業(yè)投入不夠，社會資本把握時機和精準度不夠，特別是基礎(chǔ)性創(chuàng)新缺乏。基礎(chǔ)研究的機構(gòu)更傾向于出新成果，往往不太關(guān)心市場的需求，與企業(yè)的合作不夠密切，產(chǎn)、學、研鏈條不能打通，沒有承擔起國家賦予的公共技術(shù)基礎(chǔ)研究的重任。因此，中國應從以下四個方面著手搶占固態(tài)電池高地。
政策引導方面。
國家應分類下達重點研發(fā)計劃、地方政府重點科技項目、產(chǎn)學研合作項目等。分別針對電動汽車、智能電網(wǎng)、國家安全等領(lǐng)域應用需求，針對不同類型的正負極材料、不同性能的固態(tài)鋰電池，布局有關(guān)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，以及產(chǎn)業(yè)化培育項目。
產(chǎn)業(yè)化方面。
為了加快開發(fā)固態(tài)鋰電池，應在關(guān)鍵原材料、電芯制造、裝備制造、電源管理、電池模塊、系統(tǒng)應用、診斷測試等產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)進行布局，對其中的關(guān)鍵工程技術(shù)問題組織力量集中攻關(guān)。
技術(shù)支撐方面。
應盡快建設高水平的國家級研發(fā)診斷測試平臺，提升中國固態(tài)鋰電池的技術(shù)保障能力，通過對優(yōu)勢科研團隊的集中支持，迅速提升核心團隊在世界學術(shù)界、專業(yè)領(lǐng)域的影響力。
商用策略上。
采納固液混合態(tài)的路線，從加快商用視角來看，固態(tài)電池雖具備廣闊的前景，必將成為未來的主流電池，但從當下情況來看，技術(shù)水平和成本問題都制約了其大規(guī)模商用化，液態(tài)電池依然占據(jù)大部分市場。為爭取發(fā)展空間，就必須走雙管齊下路線。
最后，成本問題是固態(tài)電池技術(shù)商業(yè)化的最大挑戰(zhàn)，從本質(zhì)上講，續(xù)航里程與使用成本（整車與更換電池成本）目前仍是電動車的薄弱環(huán)節(jié)，任何新技術(shù)的成功都必須同時解決這兩大問題。再核對一下時間表：2030年前碳達峰、2060年前碳中和。2025或2030年，世界主力新能源車企搭載全固態(tài)電池商用化?？梢灶A見，未來的4-5年內(nèi)車用固態(tài)電池技術(shù)將迎來突破性進展和快速發(fā)展期，新能源汽車動力大變局即將到來。
